Cách Lựa Chọn Hiệu Quả Các Cuộn Cảm Nguồn Hiệu Suất Cao Trong Bộ Chuyển Đổi DC-DC

Trong các bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao, cuộn cảm dùng để lọc dòng điện gợn sóng được chồng lên đầu ra DC. Dù bộ chuyển đổi có cấu trúc buck, boost hay buck-boost, cuộn cảm đều có tác dụng làm mịn các gợn sóng để cung cấp đầu ra DC ổn định. Hiệu suất của cuộn cảm đạt cao nhất khi tổng tổn hao sắt và tổn hao đồng ở mức thấp nhất. Để đạt được hiệu suất cao nhất—tức là tổn hao thấp nhất—bằng cách lựa chọn một linh kiện phù hợp để làm mịn dòng điện gợn sóng, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng lõi của cuộn cảm không bị bão hòa và dây quấn không bị quá nhiệt khi dòng điện hoạt động đi qua. Bài viết này giới thiệu cách đánh giá tổn hao của cuộn cảm và trình bày các phương pháp thiết kế cũng như lựa chọn nhanh chóng các cuộn cảm hiệu suất cao.

1. Đánh Giá Tổn Hao Cuộn Cảm

Việc đánh giá tổn thất lõi và tổn thất đồng của cuộn cảm khá phức tạp. Tổn thất lõi thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như giá trị dòng điện gợn, tần số chuyển mạch, vật liệu lõi, thông số lõi và khe hở không khí trong lõi. Dòng điện gợn và tần số chuyển mạch của mạch phụ thuộc vào ứng dụng, trong khi vật liệu lõi, thông số và khe hở không khí lại phụ thuộc vào cuộn cảm.

Phương trình phổ biến nhất để đánh giá tổn thất lõi là phương trình Steinmetz:

Ở đâu:

Pvc = Tổn thất công suất trên mỗi đơn vị thể tích lõi

K, x, y = Các hằng số vật liệu lõi

f = Tần số chuyển mạch

B = Mật độ từ thông

Phương trình này cho thấy tổn thất lõi (tổn thất sắt) phụ thuộc vào tần số (f) và mật độ từ thông (B). Vì mật độ từ thông phụ thuộc vào dòng điện gợn, cả hai đại lượng này đều là các biến phụ thuộc ứng dụng. Tổn thất lõi cũng liên quan đến cuộn cảm đó, vì vật liệu lõi quyết định các hằng số K, x và y. Hơn nữa, mật độ từ thông được xác định đồng thời bởi diện tích lõi hiệu dụng (Ae) và số vòng dây (N). Do đó, tổn thất lõi phụ thuộc vào cả ứng dụng và thiết kế cụ thể của cuộn cảm.

Ngược lại, việc tính toán tổn thất đồng một chiều tương đối đơn giản:

Ở đâu:

Pdc = Tổn thất công suất một chiều (W)

Idc_rms = Dòng điện hiệu dụng của cuộn cảm (A)

DCR = Điện trở một chiều của cuộn dây cuộn cảm (Ω)

Việc đánh giá tổn thất đồng AC phức tạp hơn, vì tổn thất này tăng lên do điện trở xoay chiều cao hơn gây ra bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần ở tần số cao. Đường cong ESR (Điện trở Nối tiếp Tương đương) hoặc ACR (Điện trở AC) có thể cho thấy sự gia tăng điện trở ở tần số cao hơn. Tuy nhiên, các đường cong này thường được đo ở mức dòng điện rất thấp và do đó không bao gồm tổn thất sắt từ dòng điện gợn, đây là một điểm thường bị hiểu lầm.

Ví dụ, hãy xem xét đường cong ESR theo tần số được hiển thị trong Hình 1.

Hình 1. ESR theo Tần số

Theo đồ thị này, ESR rất cao ở tần số trên 1 MHz. Việc sử dụng cuộn cảm này ở tần số cao hơn sẽ dường như dẫn đến tổn thất đồng rất lớn, khiến nó trở thành lựa chọn không phù hợp. Tuy nhiên, trong ứng dụng thực tế, tổn thất thực tế của cuộn cảm thấp hơn nhiều so với những gì đường cong này gợi ý.

Xét ví dụ sau:

Giả sử một bộ chuyển đổi có đầu ra 5V tại 0,4A (2,0W) và tần số đóng ngắt là 200 kHz. Một cuộn cảm 10µH Codaca cuộn cảm được chọn, với mối quan hệ điển hình của ESR theo tần số được thể hiện trong Hình 1. Tại tần số hoạt động 200 kHz, ESR xấp xỉ 0,8Ω.

Đối với bộ chuyển đổi buck, dòng điện trung bình qua cuộn cảm bằng với dòng tải là 0,4 A. Chúng ta có thể tính tổn thất trên cuộn cảm như sau:

6,0% = 0,128W / (2,0W + 0,128W) (cuộn cảm sẽ tiêu thụ 6% công suất đầu vào)

Tuy nhiên, nếu chúng ta vận hành bộ chuyển đổi này ở tần số 4 MHz, ta có thể thấy từ đường cong ESR rằng R khoảng 11Ω. Khi đó, tổn thất công suất trên cuộn cảm sẽ là:

46,8% = 1,76W / (2,0W + 1,76W) (cuộn cảm sẽ tiêu thụ 46,8% công suất đầu vào)

Dựa trên phép tính này, dường như cuộn cảm này không nên được sử dụng ở tần số bằng hoặc cao hơn tần số này.

Trong thực tế, hiệu suất của bộ chuyển đổi tốt hơn nhiều so với giá trị được tính toán từ đường cong ESR-theo-tần số. Dưới đây là lý do:

Hình 2 cho thấy dạng sóng dòng điện đơn giản hóa của một bộ chuyển đổi buck ở chế độ dẫn liên tục với dòng gợn nhỏ.

Hình 2. Dạng sóng dòng điện bộ chuyển đổi Buck đơn giản hóa

Giả sử Ip-p (dòng gợn đỉnh-đỉnh) khoảng 10% của dòng trung bình:

I_dc = 0,4 A

I_p-p = 0,04 A

Để đánh giá chính xác tổn thất của cuộn cảm, cần chia nó thành tổn thất tần số thấp (tổn thất DC) và tổn thất tần số cao.

Điện trở tần số thấp (hiệu dụng là DCR) xấp xỉ 0,7Ω từ đồ thị. Dòng điện là giá trị hiệu dụng (RMS) của dòng tải cộng với dòng gợn. Vì dòng gợn nhỏ nên dòng điện hiệu dụng gần bằng dòng tải một chiều.

Đối với tổn thất tần số cao, đó là , R là ESR (200kHz), trong đó I chỉ là giá trị hiệu dụng (rms) của dòng gợn:

Tại 200 kHz, tổn thất AC là:

Do đó, tại 200 kHz, tổng tổn thất dự đoán của cuộn cảm là 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.

Tổn hao dự đoán tại 200 kHz chỉ cao hơn một chút (dưới 1%) so với tổn hao dự đoán theo DCR.

Bây giờ, hãy tính toán tổn hao tại 4 MHz. Tổn hao tần số thấp vẫn giữ nguyên ở mức 0,112 W.

Việc tính toán tổn hao xoay chiều phải sử dụng ESR tại 4 MHz, giá trị mà chúng ta trước đó đã ước tính là 11Ω:

Do đó, tổng tổn hao cuộn cảm tại 4 MHz là 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.

Điều này cho thấy rõ ràng hơn nhiều. Tổn hao dự đoán chỉ cao hơn khoảng 1,3% so với tổn hao DCR, thấp hơn xa so với giá trị 1,76 W được dự đoán trước đó. Hơn nữa, người ta sẽ không sử dụng cùng một giá trị độ tự cảm tại 4 MHz như ở 200 kHz; thay vào đó sẽ dùng một giá trị độ tự cảm nhỏ hơn, và DCR của cuộn cảm nhỏ hơn này cũng sẽ thấp hơn.

2. Thiết kế cuộn cảm hiệu suất cao

Đối với các bộ chuyển đổi chế độ dòng liên tục nơi dòng gợn sóng nhỏ so với dòng tải, việc tính toán tổn thất hợp lý phải được thực hiện bằng cách kết hợp DCR và ESR. Ngoài ra, tổn thất được tính từ đường cong ESR không bao gồm tổn thất sắt. Hiệu suất của cuộn cảm được xác định bởi tổng tổn thất đồng và tổn thất sắt. Codaca tối ưu hóa hiệu suất cuộn cảm bằng cách chọn các vật liệu ít tổn thất và thiết kế cuộn cảm để đạt tổng tổn thất thấp nhất. Việc sử dụng dây quấn dẹt mang lại DCR thấp nhất trong một kích thước nhất định, giảm tổn thất đồng. Các vật liệu lõi cải tiến giúp giảm tổn thất lõi ở tần số cao, do đó nâng cao hiệu suất tổng thể của cuộn cảm.

Ví dụ, Dòng cuộn cảm nguồn đúc CSEG của Codaca được tối ưu hóa cho các ứng dụng tần số cao, dòng đỉnh cao. Những cuộn cảm này có đặc tính bão hòa mềm đồng thời cung cấp tổn thất xoay chiều thấp nhất và DCR thấp hơn ở các tần số 200 kHz trở lên.

Hình 3 thể hiện đặc tính điện cảm theo dòng điện đối với các cuộn cảm 3,8/3,3 µH từ họ CSBX , CSEC , và CSEB các series CSBX, CSEC và CSEB rõ ràng là những lựa chọn tốt nhất để duy trì điện cảm ở các dòng điện từ 12A trở lên.

Bảng 1. So sánh DCR và Isat cho các series CSBX, CSEC và CSEB.

Khi so sánh tổn hao xoay chiều và tổng tổn hao của các cuộn cảm ở tần số 200 kHz, series CSEB với cấu trúc đổi mới vượt trội hơn mọi thiết kế trước đó đạt được tổn hao một chiều và xoay chiều thấp nhất. Điều này làm cho series CSEB trở thành lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng bộ chuyển đổi công suất tần số cao phải chịu dòng đỉnh lớn trong khi yêu cầu tổn hao một chiều và xoay chiều thấp nhất có thể.

Hình 3. So sánh các đường cong Dòng bão hòa và Dòng tăng nhiệt độ cho các cuộn cảm 3,8/3,3μH trong các series CSBX, CSEC và CSEB.

Hình 4. So sánh tổn hao xoay chiều và tổng tổn hao tại 200 kHz cho các series CSBX, CSEC và CSEB.

3. Công cụ chọn nhanh cuộn cảm

Để tăng tốc quá trình lựa chọn cuộn cảm cho các kỹ sư, Codaca đã phát triển các công cụ lựa chọn có thể tính toán tổn thất dựa trên dữ liệu lõi và dây quấn đo được đối với mọi điều kiện ứng dụng có thể. Kết quả từ các công cụ này bao gồm tổn thất lõi và tổn thất dây quấn phụ thuộc vào dòng điện và tần số, giúp loại bỏ nhu cầu yêu cầu thông tin thiết kế cuộn cảm độc quyền (như vật liệu lõi, Ae và số vòng dây) hoặc thực hiện các phép tính thủ công.

Các công cụ lựa chọn của Codaca tính toán giá trị độ tự cảm cần thiết dựa trên các điều kiện vận hành như điện áp đầu vào/đầu ra, tần số chuyển mạch, dòng điện trung bình và dòng điện gợn. Bằng cách nhập thông tin này vào Công cụ Tìm Cuộn Cảm Công Suất của chúng tôi, bạn có thể lọc các cuộn cảm đáp ứng các yêu cầu này, với thông tin về độ tự cảm, DCR, dòng điện bảo hòa, dòng điện tăng nhiệt độ, nhiệt độ hoạt động và các thông số khác được liệt kê cho từng cuộn cảm.

Nếu bạn đã biết độ tự cảm và dòng điện yêu cầu cho ứng dụng của mình, bạn có thể nhập trực tiếp thông tin này vào Bộ tìm cuộn cảm công suất ​. Kết quả sẽ hiển thị các tổn hao lõi và dây quấn cũng như định mức dòng điện bão hòa của từng cuộn cảm, cho phép bạn xác minh xem cuộn cảm có duy trì gần đúng thông số thiết kế dưới điều kiện dòng điện đỉnh của ứng dụng hay không.

Các công cụ này cũng có thể được sử dụng để vẽ đồ thị quan hệ độ tự cảm theo dòng điện nhằm so sánh sự khác biệt và ưu điểm của các loại cuộn cảm khác nhau. Bạn có thể bắt đầu bằng cách sắp xếp kết quả theo tổng tổn hao. Việc đặt toàn bộ thông tin cuộn cảm (tối đa bốn loại) lên một biểu đồ duy nhất và sắp xếp chúng sẽ hỗ trợ phân tích này, giúp bạn lựa chọn cuộn cảm hiệu quả nhất.

Việc tính toán tổng tổn hao có thể phức tạp, nhưng những tính toán này đã được tích hợp sẵn trong các công cụ lựa chọn của Codaca, giúp việc lựa chọn, so sánh và phân tích trở nên đơn giản nhất có thể, từ đó bạn có thể chọn được cuộn cảm công suất hiệu suất cao một cách hiệu quả hơn.

【Tài liệu tham khảo】:

Trang web Codaca: Lựa chọn cuộn cảm bộ chuyển đổi DC/DC - Công ty TNHH Điện tử Shenzhen Codaca (codaca.com)

Trang web Codaca: Công cụ tìm cuộn cảm nguồn - Công ty TNHH Điện tử Shenzhen Codaca (codaca.com)

Trang web Codaca: So sánh tổn thất cuộn cảm nguồn - Công ty TNHH Điện tử Shenzhen Codaca (codaca.com)